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恒流源在各種測量電子電路和傳感器電子電路中應用廣泛，是開關(guān)電源、信號檢測和功率放大等場合中不可替代的測試單元。微安級數(shù)控恒流源更是廣泛地應用于智能儀器和先進檢測技術(shù)中。與一般的恒流源電路相比，微安級恒流源輸出電流小，更易受到電路中紋波和噪聲的影響，在器件選擇和電路設計方面尤其要注意高精度和高阻抗。正是由于這些特點，微安級恒流源的電路設計方法與普通的恒流源電路有所區(qū)別。 1 微安級數(shù)控恒流源的一般設計方法 雖然恒流源的電路形式各種各樣，但是其電路結(jié)構(gòu)基本一樣，都是基于閉環(huán)反饋的思想，反饋的形式主要有晶體管反饋、場效應管反饋、并聯(lián)穩(wěn)壓器反饋、運算放大器反饋等。數(shù)控恒流源的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，根據(jù)所需的恒流電路的電流值，系統(tǒng)首先通過微處理器計算出對應的電壓值，由DA轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)輸出電壓，經(jīng)過濾波電路的處理，和誤差放大、功率放大、電流檢測比較放大以及電壓電流轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，在負載電阻所在回路輸出恒定的電流。 精密的恒流源電路多是使用運算放大器作為負反饋的誤差放大器，以晶體管或場效應管作為功率放大器件，從而形成閉環(huán)反饋電路。微安級恒流源電路的設計也是基于這種閉環(huán)反饋的思想，所不同的是由于在功率放大環(huán)節(jié)使用的晶體管或場效應管都有數(shù)微安或者數(shù)十微安的漏電流，會影響電路的精度，遠超過微安級電路所允許的誤差范圍。而一般運放的輸出帶載能力都能達到數(shù)毫安或者數(shù)十毫安，能滿足微安級恒流源電路所需的輸出要求。因此在微安級恒流源中無需采用功率放大器件，而直接使用運放向負載電阻輸出電流。即運放既起到誤差放大器的作用，又起到功率放大器的作用。如此設計不僅能滿足要求，也能減小由于功率放大引起的誤差和功率損耗，提高電路的精度和效率。 圖2所示為典型的微安級恒流源電路。DA轉(zhuǎn)換器輸出給定電壓后，經(jīng)R1和C1組成的低通濾波器送入運放同相輸入端，運放輸出端接負載，電流采樣電阻R3將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，進入運放的反向輸入端構(gòu)成負反饋。圖中R3為采樣電阻，需采用初始精度高、溫度漂移系數(shù)低的精密電阻。 下面舉例說明元器件參數(shù)的選擇，如需要設計0～10 μA的數(shù)控電流源，所選DA轉(zhuǎn)換器的參考電壓為2．5V，即DA轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓Vmax為2．5V，在此電路中，應該對應最大的輸出電流Imax為10 μA，根據(jù)運放“虛短虛斷”的原則，R3的值應由式(1)確定。 因此R3應取250k Ω。 2 差分電路在微安級恒流源電路中的應用 圖2所示的微安級恒流源電路，簡單可靠，但存在兩個問題。a．運放反向輸入端的偏置電流會影響電路的精度，尤其是對于微安級的電路影響很大。因此必須選用偏置電流較小的運放，如FET型的運放。b．在此電路中，負載沒有共地。由于在地線上串入了電阻，流入地電平的電流將在取樣電阻上產(chǎn)生電壓，此電壓將以地電平噪聲的形式出現(xiàn)在系統(tǒng)的所有地節(jié)點上，這樣將嚴重影響模擬電路的精度甚至會導致系統(tǒng)數(shù)字電路的誤動作。 為了使電路的應用更為廣泛，可以采用圖3所示的電路結(jié)構(gòu)。 此電路通過差分放大器的拓撲形式解決了恒流源負載不共地的問題，負載是接在輸出與地線之間。在此電路中，由于采用了差分結(jié)構(gòu)，因此需慎重選擇電阻，其中Rl和R2，R3和R4，R5和R6分別相等，如果這三對電阻選得不對稱，將會嚴重影響輸出電流的精度。通過運放“虛短虛斷”的原則，可以計算出在此電路中DA轉(zhuǎn)換器輸出lV的電壓對應恒流源電路的輸出電流為10 μA。 3 運用儀表放大器設計微安級恒流源電路 差分放大型電路雖然解決了恒流源負載不共地的問題，但電路結(jié)構(gòu)較復雜，而且由于使用了三對大阻值精密電阻，器件難以購買，使得電路的成本大大提高，通用性降低。但是，可以基于上述電路思想，運用新型運算放大器設計出簡單廉價的高精密微安級數(shù)控恒流源。圖4所示電路是采用儀表放大器INAll8結(jié)合運放設計出的高精密微安級數(shù)控恒流源。 INAll8是美國B-B公司生產(chǎn)的精密儀表放大器，具有精度高和共模抑制比高的優(yōu)點，適合對微小信號進行不失真的放大。INAll8由三個運算放大器組成差分放大結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。 其中運放A1、A2的作用是為了提高放大器的輸入阻抗和提供放大(其放大倍數(shù)由Rg決定)，Al、A2分別對Vin-和Vin+進行電壓跟隨，A3和4個60k Ω的電阻組成差分放大器。 在圖4所示電路中，根據(jù)運放“虛短虛斷”的原則，負載電阻R2上流過的電流值由式(2)計算得出。 電路中Rg的穩(wěn)定性和溫度漂移對增益有影響，應采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻，OPA盡量采用高阻抗運算放大器，以減小偏置電流所帶來的誤差。如選用普通的運放OPAl77，Ib的誤差達到±15nA；選用高速精密運放OPA602，Ih的誤差降為±1pA；選用靜電計級運放OPAl28，Ih的誤差僅為±75fA。 4 小結(jié) INA118通過內(nèi)部集成的六個精密電阻與運放組成差分放大結(jié)構(gòu)，解決了元器件選擇困難，電路成本高的問題。整個電路結(jié)構(gòu)也解決了恒流源負載不共地的問題，在微弱信號采集和處理等實際工程應用中具有較高的實用價值。 |
